Kanavointi ja PCM järjestelmä. Kanavointi pakkaa yhteyksiä johdolle

Transkriptio

1 Kanavointi ja PCM järjestelmä Kanavointi PCM ~ Pulse Code Modulation Näytteenotto Kvantisointi Lineaarinen Epälineaarinen Kvantisointisärö TDM-kanavointi PCM-kehysrakenne, CRC4 -ylikehys PCM 3, PCM, PCM 48, PCM 9 PCM-johtokoodit Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3 - Kanavointi pakkaa yhteyksiä johdolle Kanavoinnille on periaatteessa kolme vaihtoehtoista tapaa Taajuusjakoinen kanavointi FDM Aikajakoinen kanavointi TDM Koodijakoinen kanavointi CDM Kanavoinnissa pyritään hyödyntämään olemassa olevaa siirtoyhteyttä tehokkaammin. kanava kanava siirtotie N 4 khz f / Hz FDM-periaate TDM-periaate Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3 - Page

2 Frequency Division Multiplexing Perustuu kantoaaltoon, jota moduloidaan lähetettävällä signaalilla Puheensiirrossa käytettävä kaistanleveys on 4kHz Yksittäisten yhteyksien erotteluun tarvitaan ainoastaan kaistanpäästösuodatin teho Soveltuu analogiselle signaalille aika taajuus Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-3 Time Division Multiplexing Aikajakoinen välitystekniikka, joka perustuu näytteistykseen ja näyteiden lomittamiseen yhdelle siirtoyhteydelle. Käytetään yleisimmin televerkossa Soveltuu digitaalisen teho informaation siirtoon aika taajuus Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-4 Page

3 Näytteenotto Nyquistin teoreema Jos taajuusrajoitettua analogista signaalia näytteistetään säännöllisesti vähintään kaksinkertaisella taajuudella signaalin korkeimpaan taajuuskomponenttiin nähden, sisältää se kaiken informaation alkuperäisestä signaalista. Alkuperäinen signaali voidaan muodostaa uudelleen alipäästösuodattimella. Puheensiirrossa on määritelty käytettäväksi taajuusalueeksi 3-34Hz, jolloin tarvittava näytteenotto taajuus on 6,8kHz. Käytännössä, koska analogisissa järjestelmissä siirtokanava on 4kHz, käytetään digitaalisissa järjestelmissä 8kHz näytteenottoa. Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-5 Digitaalinen puheensiirto Siirtoyhteys on periaatteessa yksinkertainen mikrofoni, A/D-muunnin, D/A-muunnin ja kaiutin Tosiasiassa joudutaan signaalia käsittelemään ennen varsinaista muunnosta mikrofo ni kytkin siirtotie a lipää stösuodatin A/D -koodaus D/A -dekoo daus kuuloke näytte enpitokon densaa ttori Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-6 Page 3

4 Pulse Code Modulation - PCM PCM:n idea on analogisen puhekanavan digitoiminen digitaalisiin kytkentä- ja siirtojärjestelmiin sopivaksi. PCM menetelmä on keksitty jo vuonna 937 mutta ensinmäiset todelliset sovellutukset tulivat transistoritekniikan myötä 96-luvulla. PCM-muunnoksella on neljä vaihetta: Suodatus Näytteistys Kvantisointi Koodaus Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-7 Analogisen signaalin näytteenotto Analogista signaalia näytteistetään 8kHz taajuudella, jolloin näyteväli on 5us. Näin muodostuu PAM-signaali 5us Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-8 Page 4

5 Pulse Amplitude Modulation PAM Analogisen signaalin näytteenotolla muodostuu amplitudiriippuva aikadiskreetti signaali PAM. PAM-signaalista muodostetaan PCM-koodia kvantisoinnilla. Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-9 Kvantisointi likiarvoistaa näytteet Kvantisoinnissa jatkuvat amplitudiarvot diskretisoidaan. Kvantisoinnissa tulisi pyrkiä eri arvojen yhtä suureen esiintymis todennäköisyyteen Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3 - Page 5

6 Kvantisointikohina Kvantisoinnissa syntyy kohinaa, jota kutsutaan kvantisointikohinaksi. Kvantisointikohina muodostuu jatkuvien arvojen diskretisoinnista ja on maksimissaan ½ kvantisointiaskelta. Lineaarisen kvantisoinnin signaali/kohina -suhde S/D=6n+,8 db 9 n=sananpituus Kvantisointivirhe Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3 - Lineaarinen vs epälineaarinen Näytteiden kvantisoinnissa tulisi pyrkiä mahdollisimman tasaiseen arvojen käyttöön, eli jokaisen tason esiintymistodennäköisyyden tuli olla yhtä suuri. Tästä seuraa myös mahdollisimman pieni kohina, koska tasoja on tiheämmässä signaalin tyypillisellä arvoalueella. Puhesignaali sisältää pieniä signaaliarvoja suuremmalla todennäköisyydellä kuin suuria signaalin arvoja --> epälineaarinen kvantisointi Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3 - Page 6

7 Epälineaarisuus Epälineaarinen signaalin muunnos on mahdollista toteuttaa kahdella tavalla: Epälineaarisella kvantisoinnilla Kompressoinnilla ennen lineaarista kvantisointia Epälineaarinen kvantisointi voidaan toteuttaa esimerkiksi viritetyillä vastusverkoilla, kun taas kompressio vaatii epälineaarisen vahvistimen. Riippumatta toteutustavasta on epälineaariselle muunnokselle olemassa funktio, jonka mukaan muunos tasot määräytyvät. Euroopassa (ETSI) A-funktio USAssa (ANSI) µ-funktio Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-3 PCM-koodaus ja kvantisointi ETSI:n määrityksiä noudattelevissä maissa suoritetaan puheen koodaus ja kvantisointi kahdeksalla bitillä. -bitti kertoo signaalin polariteetin -4 -bitti kertoo epälineaarisen kvantisoinnin segmentin 5-8 -bitti antaa arvon kvantisointisegmentin sisällä Epälineaarisuus on määritelty ns. A-lailla Ax, x + ln( A) A + ln Ax, x + ln A A ( ) A:n arvoksi on valittu 87,6 Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-4 Page 7

8 A-lain mukainen kvantisointikuvio xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx ½Vmax /4Vmax /8Vmax /6Vmax /3Vmax /64Vmax ½Vmax Vmax Vmax X (Vin) Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-5 Segmentin sisäinen kvantisointi Yksittäisen segmentin sisällä kvantisointi on lineaarinen Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-6 Page 8

9 Lineaarinen vs epälineaarinen kvantisointi Lineaarista ja epälineaarista kvantisointia voidaan verrata niiden tuottaman signaalin resoluution paranemisella. Epälineaarinen kvantisointi on painotettu pienille signaalinarvoille, joilla resoluutio on jopa 4 db parempi. G db =log V in /V comp Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-7 PCM-hierarkia PCM-hierarkia muodostuu aikajakoisella kanavoinnilla suoritettavasta yhteyksien lomittelusta. Hierarkian perusnopeus on yhden puhekanavan vaatima bittinopeus S=8Hz* 8bit = 64kbit/s Näitä puhekanavia kanavoidaan yhteydelle ryhmiksi: 3-puhekanavaa -puhekanavaa 48-puhekanavaa 9-puhekanavaa Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-8 Page 9

10 PCM 3 (E) Televerkon yleisin informaation kytkentä- ja siirtomuoto on PCM 3. PCM 3 sisältää: synkronoitumis- ja hallintakanava merkinantokanava 3 puhekanavaa Kanava on PCM-kehyksen yksittäinen aikaväli (5us), joka muodostuu TDM-kanavoinnin yhteydessä. PCM 3 -järjestelmässä siirretään siis 3 aikaväliä, kukin 64kbit/s. Tästä seuraa kokonaisnopeus 48kbit/s Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-9 PCM 3 -kehys PCM 3 -kehys muodostuu 3 aikavälistä Aikaväli on varattu synkronointiin ja hallintaan Aikaväli 6 on varattu merkinannolle Aikavälit -5 ja 7-3 ovat yksittäisiä puhekanavia Parillisen ja parittoman siirtokehyksen rakenne on erilainen Parillinen kehys sisältää synkronoitumiseen tarvittavan kehyslukitusmerkin (C ) aikavälissä. C on CRC-bitti, jolla varmistetaan kehyslukitusinformaatio. Pariton kehys siirtää hälytystietoja. Jotta väärää kehyslukitusta ei sattuisi on parittoman kehyksen aikavälin toinen bitti asetettu kiinteästi arvoon. Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3 - Page

11 Puhekanavat - 3 Merkinantokanava PCM-hälytykset, kehyslukitus Eli t6 onkin nyt puhekäytössä! Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3 - Parillinen PCM 3 -kehys ylikehys = 6 kehystä K K K K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K K K K3 K4 K5 kehys = 3 aikaväliä (parillinen kehys) T T T T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T T T T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T T T T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T3 T3 KL puhekanavat -5 MA puhekanavat 6-3 PCM- aikavälien käyttö Suomen YKMverkossa kehyslukitusaikaväli T merkinantoaikaväli T6 puhekanava 6 aikaväli T7 B B B3 B4 B5 B6 B7 B8 B B B3 B4 B5 B6 B7 B8 B B B3 B4 B5 B6 B7 B8 C A 7bitin lukitusmerkki joka toisessa kehyksessä ylikehyslukitusmerkki kehyksessä näytteen amplitudin suuruus CRC-bitti ylikehyslukitushälytys polariteetti Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3 - Page

12 Pariton PCM 3 -kehys ylikehys = 6 kehystä K K K K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K K K K3 K4 K5 kehys = 3 aikaväliä (pariton kehys) T T T T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T T T T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T T T T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T3 T3 KL puhekanavat -5 MA puhekanavat 6-3 B B B3 B4 B5 B6 B7 B8 B B B3 B4 B5 B6 B7 B8 C A D D D D D a b c d a b c d CRC-bitti kehyslukitusaikaväli T merkinantoaikaväli T6 databitit kanavan merkinantobitit kaukopään hälytys Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-3 CRC-4 laskenta varmistaa, että kehyslukitus ei voi lukkiutua käyttäjän lähettämään kehyslukitusmerkkiin (x) CRC-4 ylikehys I- puolikas kanavan 6 merkinantobitit IIpuolikas kehysnr t/ t/ C C C3 C4 C C C3 E C4 E A A A A A A A A C C4 - CRC4 -bitit E - CRC4-error bitit - CRC4 -kehysmerkki A - kaukopään hälytys( t- kehyslukitus menetetty) Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-4 Page

13 E Kehyslukitusalgoritmi/ G.76 Search for Frame alignment SF_CRC-MultiFrame alignment Eightbits=y Assume Frame n In t of Frame n+ Eightbits=yyyyyyy Frame n+/t Eightbits=y SF_CRC-MultiFrame alignment no Two correct CRC s within 8 ms paced by ms or n x ms Monitor CRC and Frame alignm. Three consequtive errors in y or in yyyyyyy Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-5 Ylemmät hierarkiat PCM-järjestelmän monikerrat PCM 3 (E),48Mbit/s PCM (E) 8,448 Mbit/s PCM 48 (E3) 34,368 Mbit/s PCM 9 (E4) 39,64 Mbit/s Monikerrat perustuvat neljän alemman tason kehyksen aikajakoiseen kanavointiin ylemmäksi kehykseksi. Tähän ylempään kehykseen liitetään myös hallinta- ja ohjaus Mbit/s aikavälejä. 3 I Loss of CRCmultiframe PCM-perusjärjestelmä 3 4 II 8 Mbit/s 3 4 III 34 Mbit/s 3 4 IV 39 Mbit/s 3 4 V 565 Mbit/s Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-6 Page 3

14 PCM-järjestelmän johtokoodi PCM-järjestelmässä hyödynnetään bipolaarista siirtoa. Binäärinen ykköstä siirretään ainoastaan 5% jakson aikaa. Ei tarvita erillistä tasajänniteen poistoa siirtoyhteydeltä Tehospektri keskittyy ½ bittinopeuden kohdalle PCM-järjestelmissä käytetään kahta vaihtoehtoista johtokoodia: AMI - Alternate Mark Inversion HDB3 - High Density Binary 3 Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-7 Alternate Mark Inversion - AMI AMI-koodissa Binäärinen ykkönen vaihtaa polaritettia jokaisella esiintymiskerralla Binäärinen nolla ei aiheuta muutosta johdolla Heikkous on tahdistuksen katoaminen, jos pitkiä nollasarjoja esiintyy. - Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-8 Page 4

15 High Density Binary 3 - HDB3 HDB3 -koodissa Binäärinen ykkönen vaihtelee, kuten AMI-koodissa Binäärinen nolla Ensinmäinen nolla siirretään ykkösenä mikäli edellisessä nollajaksossa oli muokkaus Toista ja kolmatta nollaa ei siirretä Neljäs perättäinen nolla aiheuttaa muokkauksen eli siirrettään samalla polariteetilla kuin edeltävä ykkönen tai ykkönen - Inversio Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-9 HDB3 korvaussäännöt B pulssien lkm edellisen rikkeen jälkeen Viimeisen B pulssin polariteetti Linja koodi Linja koodin esitys B - bipolaaripulssi Pariton Negat (-) - V Pariton Positiiv (+) + V Parillinen Negat (-) ++ BV Parillinen Posit (+) -- BV +V HDB3 -V V B V B V or inverse HBD3 - high density bipolar 3 V - violation B - balance Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-3 Page 5

16 HDBN -vastaanotin alustaa itsensä etsimällä rikkeen ja dekoodaa sen jälkeen N+ -bitin ryhmiä HDB3 -vastaanotin: Alustus Tulkitse =, +/- =, laske pulssit Kunnes löytyy AMI-koodin rike tulevasta signaalista = kaksi peräkkäistä + tai - pulssia, =>tulkinta pariton& edellinen V =, parillinen& ed. BV = =>seuraava bitti aloittaa 4 -bitin ryhmän laske pulssien lkm seuraavista biteistä --> tulkinta on + --> tulkita on (inkrementoi lkm ) - --> tulkinta on ( inkrementoi lkm) lkm = pariton & V tulkinta = lkm=parillinen & BV tulkinta = Rka/ML -k Tiedonvälitystekniikka I 3-3 Page 6